Nell’oleodinamica industriale, una delle ipotesi più comuni è che, se un cilindro idraulico si muove in modo anomalo, allora il cilindro stesso debba necessariamente essere la causa del problema.

La realtà, tuttavia, è spesso molto più complessa.

Recentemente il Reparto Tecnico Vega è stato coinvolto nell’analisi di un malfunzionamento verificatosi su uno stampo per pressofusione di zama equipaggiato con due cilindri idraulici compatti. Durante la fase di iniezione, entrambi i cilindri arretravano leggermente, causando la formazione di bava sul pezzo pressofuso e generando una grave instabilità del processo. Il cliente era convinto che i cilindri fossero sottodimensionati o difettosi.

L’indagine sul campo ha dimostrato esattamente il contrario.

Il problema non erano i cilindri idraulici.

Il vero problema era un fenomeno fisico che molti progettisti tendono a sottovalutare:

la comprimibilità dei fluidi idraulici in presenza di condizioni dinamiche di pressione.

Il Problema Iniziale

Lo stampo di pressofusione era equipaggiato con due cilindri idraulici compatti con corsa di 60 mm, destinati al bloccaggio di una parte mobile dello stampo durante la fase di iniezione della zama.

Durante la produzione, il cliente aveva rilevato una bava di circa:

0,03 mm

sul componente pressofuso, evidenziando che la parte mobile dello stampo si stava spostando sotto l’effetto della pressione.

La centralina idraulica della macchina era in grado di fornire una pressione massima di circa:

Pmax = 120–125 bar

Per cercare di risolvere il problema, il cliente aveva già installato:

• valvole di non ritorno;
• una nuova valvola idraulica;
• diverse regolazioni della macchina.

Nonostante queste modifiche, il problema continuava a manifestarsi.

L’Indagine sul Campo

Per comprendere la vera causa del problema, il Reparto Tecnico Vega ha eseguito un’indagine direttamente presso il cliente.

Lo stampo è stato installato sulla macchina e portato alle normali condizioni di produzione.

La procedura di verifica ha previsto:

• installazione di un manometro direttamente sulla linea di alimentazione del cilindro superiore;
• posizionamento del manometro tra la valvola di non ritorno e il cilindro;
• spurgo completo del circuito;
• riavvio graduale della produzione a velocità di iniezione ridotta.

L’obiettivo era semplice:

verificare se i cilindri perdessero pressione oppure se fosse il circuito idraulico stesso a subire una compressione.

Pressione Statica e Pressione Dinamica

Uno degli aspetti meno intuitivi dei sistemi oleodinamici è la differenza tra pressione statica e pressione dinamica.

Secondo il principio di Pascal, la pressione si trasmette uniformemente all’interno del fluido:

P = F / A

dove:

• P = pressione;
• F = forza applicata;
• A = superficie attiva.

Tuttavia, durante i cicli di pressofusione ad alta velocità si generano ulteriori picchi di pressione dinamica.

La pressione totale diventa quindi:

Ptot = Pstatica + Pdinamica

dove:

• Pstatica è la pressione generata dalla centralina;
• Pdinamica è la pressione generata dall’accelerazione del fluido, dall’inerzia del sistema e dalla pressione di iniezione del metallo.

Questa distinzione si è rivelata fondamentale.

L’Inaspettato Aumento di Pressione

Durante le prove, il circuito idraulico della macchina forniva una pressione di circa:

125 bar

Tuttavia, durante la reale fase di iniezione della zama, il Reparto Tecnico Vega ha rilevato picchi di pressione che raggiungevano:

135 bar

all’interno della camera posteriore del cilindro.

Questa misurazione ha confermato i calcoli teorici precedentemente eseguiti.

I cilindri non stavano cedendo.

Era il sistema idraulico stesso a subire ulteriori compressioni dovute ai picchi di pressione generati dal processo di pressofusione.

I Fluidi Idraulici Non Sono Perfettamente Incomprimibili

Molti progettisti continuano a considerare l’olio idraulico come un fluido perfettamente incomprimibile.

In realtà questa ipotesi è errata.

Secondo la teoria oleodinamica, tutti i fluidi idraulici presentano una certa comprimibilità. Inoltre, la presenza di aria disciolta o intrappolata aumenta notevolmente questo fenomeno.

La riduzione volumetrica può essere approssimata come:

ΔV ≈ 1% ogni 160 bar

nelle normali condizioni industriali.

Nelle applicazioni di pressofusione, dove spesso vengono utilizzate miscele acqua-glicole per motivi di sicurezza, questo fenomeno può diventare ancora più significativo.

In altre parole, il circuito idraulico può comportarsi come una molla.

Quando viene sottoposto a rapidi picchi di pressione, il volume del fluido si comprime, consentendo piccoli ma misurabili spostamenti del cilindro.

Perché 0,03 mm Sono Così Importanti

Il cliente aveva osservato una bava di circa:

0,03 mm

A prima vista questo valore potrebbe sembrare trascurabile.

Nelle applicazioni di pressofusione, tuttavia, anche pochi centesimi di millimetro di apertura dello stampo possono generare bave significative e compromettere completamente il processo produttivo.

Il valore misurato corrispondeva sorprendentemente bene agli spostamenti attesi considerando:

• comprimibilità del fluido;
• compressione dell’aria disciolta;
• deformazioni elastiche dei componenti idraulici;
• picchi di pressione generati dall’iniezione della zama.

Le Evidenze Meccaniche

Durante le prove è emersa un’ulteriore osservazione molto importante.

La fuoriuscita della zama avveniva solamente su un lato del sistema mobile.

Questo suggeriva fortemente che il problema non potesse essere attribuito esclusivamente ai cilindri.

Piuttosto, indicava la possibile presenza di:

• distribuzione non uniforme dei carichi;
• insufficiente supporto meccanico;
• imperfetto parallelismo;
• mancanza di completa planarità tra il carrello e la parte fissa dello stampo.

In altre parole:

il sistema idraulico si stava comportando esattamente come previsto dalla fisica, mentre la struttura meccanica richiedeva ulteriori verifiche.

I Limiti dei Sensori Meccanici

Durante l’indagine, il Reparto Tecnico Vega ha individuato un secondo aspetto critico.

Gli operatori stavano regolando i microinterruttori meccanici cercando di ottenere una precisione di posizionamento pari a:

0,03 mm

Un livello di precisione di questo tipo non può essere realisticamente ottenuto mediante normali microinterruttori meccanici.

Per applicazioni che richiedono tale accuratezza sono generalmente necessari trasduttori lineari, che offrono:

• maggiore ripetibilità;
• misura continua della posizione;
• minore sensibilità alle vibrazioni;
• migliore controllo del processo.

Le Possibili Soluzioni

Al termine dell’analisi, il Reparto Tecnico Vega ha proposto diverse possibili soluzioni.

Soluzione 1

Sostituire i cilindri esistenti con cilindri di dimensioni maggiori per ridurre gli effetti della comprimibilità del fluido.

Soluzione 2

Mantenere i cilindri esistenti installando un intensificatore di pressione.

Soluzione 3

Modificare la progettazione dello stampo introducendo un sistema di bloccaggio meccanico positivo in grado di assorbire direttamente le forze di iniezione.

L’Ingegneria Significa Comprendere la Fisica

Questo progetto dimostra un principio fondamentale dell’ingegneria.

Il cliente riteneva che i cilindri fossero sottodimensionati.

Le misurazioni effettuate sul campo hanno invece dimostrato che:

• i cilindri erano correttamente dimensionati;
• i calcoli oleodinamici erano corretti;
• i valori di pressione misurati coincidevano con le previsioni teoriche.

La vera sfida consisteva nel comprendere l’interazione tra:

• comprimibilità del fluido;
• presenza di aria nel circuito;
• picchi dinamici di pressione;
• deformazioni meccaniche dello stampo;
• parametri del processo di pressofusione.

Lezioni Apprese

1. I fluidi idraulici non sono mai perfettamente incomprimibili.

2. I picchi dinamici di pressione devono sempre essere considerati nelle applicazioni di pressofusione.

3. L’aria intrappolata aumenta drasticamente la comprimibilità del sistema.

4. Le deformazioni meccaniche e le compressioni idrauliche spesso avvengono simultaneamente.

5. Le misurazioni sul campo sono spesso più preziose delle ipotesi.

6. La causa reale di un problema non coincide sempre con il componente sospettato.

Conclusioni

Questo caso ha dimostrato che i cilindri idraulici non erano la causa del problema.

Il malfunzionamento apparente era invece generato dalla combinazione di comprimibilità del fluido, picchi di pressione, tolleranze meccaniche e dinamica del processo.

Combinando calcoli teorici e misurazioni reali, il Reparto Tecnico Vega è riuscito a identificare i reali fenomeni fisici responsabili del difetto e a proporre diverse soluzioni ingegneristiche.

Perché nell’ingegneria risolvere un problema significa spesso dimostrare che il componente sospettato non era mai stato il vero problema.